Chọn thông số lấy mẫu là công việc quan trọng trong truyền hình số. Nó quyết định chất lượng hình ảnh thu được tốt hay xấu. Bằng lý thuyết và thực nghiệm, cho thấy: chất lượng hình ảnh mầu thu được phụ thuộc vào tần số lấy mẫu và cấu trúc lấy mẫu.
Đối với hệ truyền hình NTSC, PAL việc chọn tần số lấy mẫu tối ưu đơn giản hơn. Tuy nhiên nếu fsa tiến gần đến 13MHz, chất lượng hình ảnh rất tốt. Nếu fsa nhỏ hơn 13MHz, chất lượng hình ảnh giảm rõ rệt (lấy mẫu tín hiệu video mầu tổng hợp).
Chất lượng hình ảnh giảm biểu hiện như giảm độ nét Conture, các chi tiết ảnh theo chiều đứng, chuyển động theo các biên đứng.
Trường hợp lấy mẫu tín hiệu chói và tín hiệu mầu riêng biệt. Nếu giảm tần số lấy mẫu tín hiệu chói sẽ làm giảm một phần độ phân giải. Tuy nhiên nó ảnh hưởng không nhỏ đến người xem. Nếu giảm tần số lấy mẫu tín hiệu hiệu số mầu (bằng
2 1
fsa tín hiệu chói) xuống còn
4 1
fsa. Nó có thể gây ra méo dưới dạng dòng nhấp nháy hoặc xuất hiện các vòng theo dòng.
Trong trường hợp lấy mẫu tín hiệu mầu tổng hợp SECAM. Nếu ta giảm fsa, chất lượng ảnh mầu thu được sẽ giảm rất nhiều.
Dựa vào khảo sát trên, nếu lấy mẫu các tín hiệu mầu (chói và hiệu số mầu) sẽ cho chất lượng ảnh mầu tốt hơn. Về kỹ thuật, người ta chọn fsa=13.5MHz cho tín hiệu chói và fsa=6.75MHz cho hai tín hiệu hiệu mầu.
Tuỳ thuộc vào loại cấu trúc lấy mẫu mà xuất hiện các loại méo khác nhau. Cấu trúc trực giao có méo dưới dạng giảm độ phân giải, cấu trúc quincux mành gây nhấp nháy các điểm ảnh (cũng làm giảm độ phân giải ), cấu trúc quincux dòng tạo ra các nấc (hiệu ứng bậc thang ). Các loại méo xuất hiện rõ rệt nếu giảm tần số lấy mẫu.
Về lý thuyết và thực nghiệm, thì cấu trúc trực giao có tốc độ bit lớn nhưng cho chất lượng hình ảnh tốt.
Tuy nhiên về kỹ thuật, người ta vẫn chọn cấu có tốc độ bit nhỏ nhưng hình ảnh chấp nhận được.
1.3. Lượng tử hoá tín hiệu video. 1.3.1. Lượng tử hoá tín hiệu .
Lượng tử hoá là quá trình chia biên độ ra thành nhiều mức .Mỗi mức được xắp xếp bằng một giá trị.Các khoảng chia có thể đều hoặc không đều được gọi là tuyến tính và không tuyến tính .
Tất cả các mẫu có cùng mức ,sẽ được biểu hiện cùng một số và sau khi giải mã các mẫu được khôi phục lại với cùng một chiều cao(biên độ).
Quá trình lượng tử hoá là quá trình biến đổi chuỗi các mẫu với một số hữu hạn biên độ .Khi đó ở đầu ra DAC,tín hiệu không đồng nhất với tín hiệu ban
đầu (tín hiệu tương tự).Mỗi mẫu đều có kèm theo sai số trong khoảng 0÷Q/2(Q- khoảnh lượng tử).
Ta có quan hệ: Sin(t) = Sout(t) + Sq Trong đó :
Sin(t) - tín hiệu ban đầu. Sout(t) - tín hiệu sau lượng tử Sq - méo lượng tử
1.3.2.Nhiễu do lượng tử hoá tín hiệu.
Méo xuất hiện trong quá trình lượng tử hoá gọi là hiệu ứng méo lượng tử .Hiệu ứng méo lượng tử phụ thuộc loại điều chế .Nếu sử dụng PCM tuyến tính ,méo lượng tử xuất hiện dưới dạng hiệu ứng đường viền (conture effect).Méo lượng tử xuất hiện dưới dạng răng cưa .Nếu ta tăng số khoảng lượng tử ,hiệu ứng méo lượng tử sẽ giảm rõ rệt.
Méo lượng có dạng như nhiễu hạt tự nhiên (lưới có kích thước nhỏ ,giống sương mù ),xuất hiện ở các vùng ảnh rộng và có độ sáng đồng đều .
Hiệu ứng đường viền ở các ảnh không chuyển động có dạng nhiễu hạt ,khi lượng tử hoá 32÷62 mức. Đối với ảnh chuyển động .Hiệu ứng này thể hiện rõ hơn nhiều .
Hiệu ứng đường viền sẽ giảm ,nếu tín hiệu tương tự chứa nhiều tín hiệu chi tiết và méo lượng tử phân bố ngẫu nhiên .Méo lượng tử giống như trường hợp tín hiệu tương tự có nhiễu ngẫu nhiên và tải mầu .Do đó mức sẽ ít hơn ,nếu lấy mẫu và lượng tử hoá tín hiệu video màu tổng hợp .
Để giảm nhiễu hạt ngẫu nhiên. Người ta cộng tín hiệu video với một tín hiệu “dither” đặc biệt. Tín hiệu “dither” thường gặp có dạng xung chữ nhật có tần số bằng nửa tần số fy 28 mẫu và biên độ bằng nửa khoảng lượng tử hoá.
Có một loại dither khác là nhiều ngẫu nhiên có phân bố Gauss và trị hiệu dụng không nhỏ hơn Q/3.
Muốn giải quyết hiệu ứng méo đường viền thì ta cộng đồng thời hai tín hiệu dither trên (tín hiệu xung chữ nhật có biên độ Q/2 và tín hiệu ngẫu nhiên có biên độ 0.18Q) vào tín hiệu video.
Một loại méo xuất hiện khi lượng tử hoá tín hiệu video mầu hoàn chỉnh. Nó có dạng là méo pha vi sai và méo khuếch đại vi sai. Nó có đặc điểm giống với méo vi sai trong hệ thống tương tự. Ảnh hưởng méo vi sai số lên hình ảnh sẽ nhận biết rõ rệt. Nó sẽ tăng nếu tần số nếu tăng tần số lấy mẫu. Loại méo này phụ thuộc vào biên độ tín hiệu mầu (giảm nếu biên độ tín hiệu tăng ). Nếu tăng độ chính xác lượng tử hoá (khoảng lượng tử , số bit biểu diễn mẫu), sẽ giảm được méo vi sai.
1.4. Mã hoá tín hiệu video . 1.4.1. Mã hoá tín hiệu rời rạc.
Mã hoá tín hiệu là biến đổi tín hiệu đã lượng tử hoá thành tín hiệu số bằng cách sắp xếp số nhị phân cho các mức lượng tử hoá và ánh xạ các mức này thành tín hiệu có hai mức (0và 1). Để giải quyết méo, trong PCM tuyến tính phải dùng mã 8 bit (256 mức lượng tử ). Số nhị phân đặc trưng cho tín hiệu video bao gồm khoảng giới hạn từ 00000000 đến 11111111.
1.4.2. Các loại mã.
Mã dùng trong truyền hình số được chia thành các nhóm: -mã sơ cấp
-mã bảo vệ và sửa sai. -mã truyền tuyến tính.
Đầu tiên, tất cả tín hiệu video được mã hoá sơ cấp, sau đó mã hoá chuyển đổi. Mã sơ cấp là mã cơ sở từ đó hình thành mã bảo vệ (Protection code ).
Mã sơ cấp dùng trong truyền hình số là mã nhị phân (Binary code ). Mã nhị phân được chia thành mã cân bằng và mã không cân bằng.
-Mã cân bằng là các mã trong đó hệ số cân bằng được dùng cho mỗi liên kết mã, ví dụ mã nhị phân tự nhiên. 1 2 0 ) 2 ( n i i Ci F =∑− × = Với : Ci=0 hoặc 1 2i hệ số cân bằng i là số hạng của liên kết mã 36
Mã không cân bằng là các mã 2 trong đó các liên kết mã liên tục không có sự cân bằng. Ví dụ mã phản hồi.
Mã của tín hiệu là mã có cấu trúc. Cấu trúc của mã có thể là tuyệt đối hoặc tương đối. Mã có cấu trúc tuyệt đối là mã có sự thay đổi thông số đặc trưng cả mã xảy ra đồng thời sự thay đổi symbol. Mã có cấu trúc tương đối là mã mà sự thay đổi thông số mã đặc trưng chỉ xảy ra khi xuất hiện symbol 1 hoặc 0.
Trong truyền hình số người ta thường dùng mã có cấu trúc tuyệt đối.
• Mã NRZ (Non Return
Zero – không trở lại mức 0).
Mã NRZ có độ rộng mỗi xung bằng thời gian chu kỳ đồng bộ. Mức logic 0 ứng với điện áp thấp nhất, mức điện áp cao nhất ứng với mức logic 1.
UNRZ(t) = U(t) – U(t-T)
Mã NRZ có hai loại. Mã NRZ gián đoạn tích cực, và mã NRZ gián đoạn thụ động. Mã NRZ gián đoạn thụ động thì mức symbol ứng với 0 V, mã NRZ gián đoạn tích cực điện áp âm ứng với mức 0 điện áp dương với mức 1.
Các loại biến thứ của NRZ:
NRZ – M (NRZ-Mark ) hay NRZ – 1, NRZ –S (NRZ space) hay là NRZ – 0.
• mã NZ (return zero).
Độ rộng mỗi xung bằng ½ hoặc một phần thời gian xung của chu kỳ đồng hồ.
URZ(t) = U(t) – U(t-0.5T)
Các biến thứ của RZ: RZ-P, RZ-U.
• Mã BiPh (Binary phace )
Mã NRZ Mã NRZ-M Mã NRZ-S Mã NRZ-P Mã RZ Mã RZ-P Mã RZ-U Mã BiPh Mã BiPh-M Mã BiPh-S Từ mã 1 0 1 1 0 1 0 0 Hình 1.11: Mã sơ cấp 37
Mã có đặc điểm là có đôi xung bổ trợ nhau với điện áp RZ trong mỗi chu kỳ đồng hồ.
UBiPh(t) = U(t) – 2U(t-0.5T) + U(t-T)
Các biến thứ của BiPh: BiPh-M & BiPh-S.
Trong thiết bị truyền hình số, mã NRZ thường được dùng cho thiết bị studio và các thiết bị thông tin phụ trong tín hiệu truyền hình. Mã RZ được dùng trong một số trường hợp truyền tín hiệu số với khoảng cách xa. Mã BiPh dùng trong quá trình ghi tín hiệu số trên băng từ.
CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ SỐ HOÁ TÍN HIỆU AUDIO. 2.1. Số hoá tín hiệu audio.
Tín hiệu audio thường đi kèm tín hiệu video trong truyền hình. Để có chất lượng âm thanh tốt người ta tìm cách nén tín hiệu audio.
2.1.1. Số hoá tín hiệu audio.
Để biến tín hiệu audio sang tín hiệu số, người ta dùng PCM đơn giản. Tín hiệu âm thanh thường có băng tần 40Hz15KHz. Nếu theo Nyquist,
fsa≥2×15KHz=30KHz. Để giảm méo do lồng phổ, ta chọn fsa=32KHz±2.6× 10-
6.Muốn đạt chất lượng cao về âm thanh khôi phục, thì tỷ số tín hiệu trên méo
lượng tử phải có giá trị lớn. do đó phải mã hoá mỗi mẫu với độ chính xác ít nhất là 14 bit. Tốc độ bit của tín hiệu là 500KB/s,nhỏ hơn nhiều tốc độ video (220Mb/s). Tín hiệu Audio thường được nén và dãn nhờ đặc tuyến (phi tuyến) lượng tử hoá tín hiệu .
Trong tín hiệu âm thanh, các mức có giá trị lớn ít hơn nhiều các mức có giá trị nhỏ. Nên có thể mã hoá với độ chính xác thấp.
Đặc tuyến nén thích hợp được biểu diễn dưới đây:
Hình 2.1: Đặc tuyến nén tín hiệu. 0 1/8 ¼ ½ 1 1/64 1/32 1/16 512 448 384 320 256 192 128 64 Ura Uv oà a) Y X X Y 1/A 1 -1 -1/A 1 dy 1 dx 1 -1 -1 1 b) c) 39
a) Một phần của đặc tuyến A. b) Nguyên tắc nén. c) Đặc tuyến A Ta có sự phụ thuộc: Uu x X = và Uu y y Y =
Trong đó ux, uy : trị tức thời tín hiệu vào và ra của mạch co dãn tín hiệu Ux Uy : biên độ cực đại của tín hiệu vào và ra của mạch co dãn. Mỗi biến x và y có thể có giá trị từ -1 đến +1. Vị trí dương và âm của tín hiệu video có cùng công suất. Nên đặc tính nén sẽ đối xứng qua điểm gốc của hệ toạ độ. Cần chọn đặc tính nén sao cho chất lượng tín hiệu âm thanh có chất lượng cao là đặc tuyến A.
2.1.2. Truyền tín hiệu âm thanh trong tín hiệu video.
Trong trường hợp truyền các tín hiệu video số với một hoặc một vài tín hiệu âm thanh số di kèm, thì tốt nhất là ghép kênh theo thời gian với tín hiệu video, nhằm tạo một tia số liên tục.
Các tín hiệu âm thanh số có thể được truyền trong tín hiệu video tương tự. Trong tín hiệu video, khoảng 20% thời gian dùng để truyền các xung đồng bộ và xung xoá. Các khoảng thời gian này có thể sử dụng để truyền âm thanh số. Việc làm này phải đảm bảo không gây nhiễu cho hoạt động kênh video và máy thu.
Tín hiệu âm thanh cần cấy vào tín hiệu Video tương tự phải được biến đổi thành tín hiệu số. Tần số lấy mẫu có thể đồng bộ có thể đồng bộ với tần số dòng hoặc không. Nếu chuyển tín hiệu âm thanh thanh tín hiệu số một cách trực tiếp, tốt nhất chọn tần số lấy mẫu bằng nhiều lần tần số lấy mẫu fH. Ví dụ fsa=2fH=2x15.625KHz=31.250. Nếu tín hiệu âm thanh đã ở dạng số rồi, thì nó được lấy mẫu với tần số không đồng bộ fH với fH. Để cấy tín hiệu âm thanh số vào tín hiệu Video càn phải nén tín hiệu. Để không gây méo tín hiệu Video do cấy tín hiệu Video vào nó, các xung có sườn dốc của tín hiệu số phải được tạo dạng nhờ mạch lọc có đặc trưng gần với đặc trưng phổ tín hiệu Video. Ví dụ mạch lọc có đặc trưng sin22T (T=1/fgh), fgh là tần số cao nhất của tín hiệu Video , ví dụ fgh=6MHz đối với hộ PAL.
Có nhiều công trình nghiên cứu truyền tín hiệu âm thanh số trong tín hiệu Video . Các phương pháp này cho phép truyền tín hiệu âm thanh trong các hệ thống NTSC, PAL, SECAM.
Có các phương pháp đa năng, cho phép cấy và truyền tín hiệu âm thanh cho mọi hệ thống truyền hình. Có thể truyền thêm từ 1 đến 8 kênh âm thanh cùng với một tín hiệu Video .
Một trong các phương pháp đa năng nói trên là hệ thống SIS (Sound - In- Sync). Nó cho phép truyền một tín hiệu âm thanh cùng với tín hiệu PAL, và NTSC mà không cần thay đổi vị trí xung đồng bộ màu.
Hình 2.2: Vị trí tín hiệu SIS trong xung đồng bộ dòng Xung đồng bộ dòng 4.7μs chuẩn 3.8μs 3.62μs±10ns 1V±30mV 300mV ±9mV
Hình 2.3: Tín hiệu của hệ thống SIS
PHẦN III: NÉN TÍN HIỆU TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NÉN.
1.1. Mở đầu.
Trong tất cả các dạng tín hiệu thì tín hiệu truyền hình chiếm dải tần lớn nhất cho một kênh thông tin. Tín hiệu Video số thành phần (số hoá 8 bit ) có tốc độ bằng 216Mbit/s. Dải phổ cần thiết để truyền tín hiệu này phải có bề rộng không dưới (3/4)x216=162MHz. Trong studio, truyền tín hiệu bằng cáp, giắc nối chất lượng cao và với khoảng cách ngắn việc nén dải tần chỉ mang tính kinh tế, việc truyền tín hiệu có thể thực hiện mà không cần nén. Song sẽ rất khó khăn, thậm trí không thể thực hiện thực hiện được việc truyền tín hiệu Video số qua vệ tinh với độ rộng dải tần một kênh 27MHz hoặc qua hệ thống truyền hình quảng bá trên mặt đất với tiêu chuẩn 7-8MHz cho một kênh truyền hình tiêu chuẩn. Do vậy, nén tín hiệu là công đoạn không thể thiếu để khắc phục được những khó khăn trên.
Nén về cơ bản là một quá trình trong đó lượng số liệu (data ) biểu diễn lượng thông tin của một ảnh hoặc nhiều ảnh được giảm bớt bằng cách loại bỏ những số liệu dư thừa trong tín hiệu Video. Các chuỗi ảnh truyền hình có nhiều phần ảnh giống nhau, vậy tín hiệu truyền hình có chứa nhiều dữ liệu dư thừa, ta có thể bỏ qua mà không làm mất thông tin ảnh. Đó là các phần xoá dòng, xoá mành, vùng ảnh tĩnh hoặc chuyển động rất chậm, vùng ảnh nền giống nhau, mà ở đó các phần tử liên tiếp giống nhau hoặc khác nhau rất ít. Thường thì chuyển động trong ảnh truyền hình có thể được dự báo, dó đó chỉ cần truyền các thông tin về chuyển động. Các phần tử lân cận trong ảnh thường giống nhau, do đó chỉ cần truyền các thông tin biến đổi. Các hệ thống nén sử dụng đặc tính này của tín hiệu Video và các đặc trưng của mắt người là kém nhậy với sai số trong hình ảnh có nhiều chi tiết và các phần tử chuyển động. Quá trình sau nén ảnh là dãn ảnh để tạo lại ảnh gốc hoặc xấp xỉ ảnh gốc.
Sự phát triển của kỹ thuật số và việc sử dụng công nghệ số vào kỹ thuật truyền hình làm cho khái niệm “nén Video ” trở thành đề tài nóng hổi trong những năm gần đây. Thật ra khái niệm nén Video đã có từ những năm 1950 cùng với sự ra đời của truyền hình mầu, đó là nén độ rộng băng tần bằng kỹ
thuật tương tự. Ở đây, ba tín hiệu thành phần mầu cơ bản (R,G,B ) với tổng bề rộng dải thông 15MHz đã được nén trong một tín hiệu Video mầu tổng hợp duy nhất với bề rộng dải thông bằng 5MHz. Giải thông tần được giảm 3 lần, hay nói một cách khác hệ số nén bằng 3:1.
Nén Video trong những năm 1950 được thực hiện bằng công nghệ tương tự với tỷ số nén thấp. Ngày nay , công nghệ nén đã đạt được những thành tựu cao hơn bằng việc chuyển đổi tín hiệu Video tương tự sang tín hiệu Video số. Công nghệ nén số đòi hỏi năng lực tính toán nhanh, song với sự phát triển của công nghệ thông tin, nhất là từ khi Shannon trình bày quan niệm xác suất về thông tin và cách biểu diễn truyền và nén chúng, thì điều này đã không còn là